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Designer plants one step closer to growing low-cost medical, industrial proteins

想象一下,如果植物能被改造成生产疫苗、药物、蛋白质和酶,用于医疗、农业和工业应用,而成本只有目前的一小部分。

科内尔领导的一项新研究从字面上描述了该领域的重大进展。

在不久的将来,这种生物衍生蛋白的市场预计将达到3000亿美元。目前,工业酶和其他蛋白质是在大型、昂贵的发酵反应器中制造的,但在户外种植的植物中制造它们,可以将生产成本降低三倍。

康奈尔大学(Cornell University)和伊利诺伊大学(University of Illinois)的研究人员设计了一种植物,这种植物能够产生非植物本身所特有的蛋白质。该研究描述了第一次成功地在野外种植这种植物,这是经济可行性的必要条件,因此可以大规模种植。

“我们知道这些植物在温室生长良好,但我们从来没有机会测试出来,”贝思说安,生物和环境工程教授和高级的作者“Field-grown烟草植物维持强劲增长,同时积累大量的细菌纤维素酶在叶绿体中,“7月8日发表在《自然》杂志上。阿赫纳实验室的研究生珍妮弗·施密特(Jennifer Schmidt)是第一作者之一。

当伊利诺伊大学的植物生物学教授斯蒂芬·朗获得美国农业部的许可,在这片土地上种植转基因植物时,这个机会就来了。

传统观点认为,要求植物将细胞中20%的蛋白质转化为植物无法利用的物质,会极大地阻碍植物的生长。

Ahner说:“当你把植物种在地里的时候,它们必须面对很大的转变,比如干旱、温度或光照,它们将需要它们所拥有的所有蛋白质。”“但我们证明,这种植物仍然能够在田间(同时产生非原生蛋白质)完全正常地发挥作用。”这真的是一个突破。”

虽然还需要更多的研究,但实验室实验表明,当植物有足够的阳光、水和肥料时,它们会根据需要增加养分的吸收,以补偿额外的蛋白质负荷。

在这项研究中,研究人员对烟草植物进行基因改造,使其产生纤维素酶蛋白Cel6A,一种酶。在科学领域,烟草是一种被大量研究的模式植物,生物学家在研究中使用它,因为人们对它了解得太多了。Cel6A的生产证明了原理,但从实际意义上讲,它属于现代洗衣剂生产中使用的一大类相关酶;在纺织工业中,如在软化牛仔裤等面料;以及食品和动物饲料的加工。此外,更便宜的纤维素酶可以大大降低乙醇和其他生物制品的最终成本。

基因工程是通过向植物细胞的叶绿体中传递DNA指令来制造所需的蛋白质来实现的。然后培养含有叶绿体的植物,叶绿体采用这种DNA。叶绿体是植物中进行光合作用的细胞器,含有自己的DNA。植物细胞不能制造自己的叶绿体,而是在细胞分裂时从每个子代细胞中继承。

这种设计有助于防止含有设计蛋白的植物在田间生长,从而通过花粉的传播污染其他烟草植物及其近亲。花粉包含在雄蕊中,雄蕊是烟草植株的雄性部分。

阿纳说:“我们使用的这项技术的优势之一是,大多数作物的叶绿体是通过母系遗传的,所以基因不在花粉中。”“花粉是传播到其他转基因作物的主要问题之一。”

在未来的工作中,施密特正在研究如何让植物持续产生不同类型的蛋白质。Ahner说:“我们正试图了解允许任何蛋白质在转基因植物中积累的基本生物学机制。”

朗格实验室的研究科学家贾斯汀·麦格拉思(Justin McGrath)是这篇论文的第一作者之一。分子生物学和遗传学学院的自由海德贝利教授莫琳汉森(Maureen Hanson)是该研究的合著者之一。

这项研究由美国农业部资助。

康奈尔纪事报
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